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Die Fluoreszenzbildgebung ist eine leistungsstarke, hochempfindliche, nichtinvasive Technik, die in den Biowissenschaften zur Visualisierung und Überwachung biologischer Prozesse in lebenden oder fixierten Zellen, Geweben oder sogar ganzen Organismen eingesetzt wird. Fluoreszenz ist die Emission sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung durch eine Substanz wie z. B. einen fluoreszierenden Farbstoff (auch Fluorophore oder Chromophore genannt) bei Anregung durch Licht oder andere elektromagnetische Strahlung. Auf dem Markt ist eine breite Palette von Fluoreszenzfarbstoffen und -proteinen erhältlich, die zur Markierung biologischer Strukturen mit hoher Spezifität verwendet werden können. Fluoreszenzbildgebungstechniken können in spektroskopische und mikroskopische Fluoreszenzmethoden unterteilt werden. Zu den Anwendungen, die auf spektraler Detektion basieren, gehören qPCR, DNA-Sequenzierung, Hochdurchsatz-Screening oder Durchflusszytometrie. Zu den in biomedizinischen Forschungslabors häufig verwendeten Fluoreszenzmikroskopietechniken gehören Epifluoreszenz-, Konfokal-, Multiphotonen-, TIRF- (Total Internal Reflectance Fluorescence), Super-Resolution- (SIM, STORM, PALM, STED) oder Lichtscheibenmikroskopie sowie Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung. Welches Verfahren am besten geeignet ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. dem Grad der zwei- oder dreidimensionalen Auflösung, der Bildgebungsgeschwindigkeit, der Bildtiefe und der Anzahl der erforderlichen Farbkanäle, jedoch nutzen alle denselben Fluoreszenzmechanismus zur Beobachtung biologischer Prozesse.
Ein typisches Fluoreszenz-Bildgebungssystem besteht aus den folgenden Komponenten:
Fluoreszenzfiltersätze sind besonders wichtig, um das Anregungslicht von der emittierten Fluoreszenz zu trennen, und bestehen in der Regel aus einer Kombination von Anregungs- (gewöhnlich Bandpass), dichroitischen (manchmal auch als dichroitischer Spiegel oder dichromatischer Strahlteiler bezeichnet) und Emissionsfiltern (Bandpass oder Langpass) mit Transmissionsprofilen, die für die spektralen Eigenschaften bestimmter Fluorophore optimiert sind.
Die Fluoreszenzmikroskopie ist eines der wichtigsten Verfahren zur Untersuchung der funktionalen oder morphologischen Dynamik synaptischer Strukturen wie dendritischen Dornfortsätze und Endknöpfchen und zur Charakterisierung der Verbindung dieser Schaltkreise und ihrer Dynamik. In der Regel wird ein Laserstrahl als Punktlichtquelle auf eine Lochblende fokussiert. Räumlich gefiltertes Licht wird von einem dichroitischen Filter reflektiert. Um die gesamte Apertur des Objektivs zu füllen, kann ein Strahlaufweiter erforderlich sein. Das Objektiv fokussiert dann Erregerenergie auf die Probe, die ein schwächeres Fluoreszenzsignal aussendet, das vom gleichen Objektiv erfasst wird. Dieses emittierte Licht wird durch den dichroitischen Filter zu einer zweiten Tubuslinse transmittiert und passiert dann eine weitere Lochblende, bevor es durch einen CCD- oder CMOS-Sensor erkannt wird. Im Idealfall befinden sich beide Lochblenden in der konjugierten Bildebene auf der optischen Achse, sodass sich die Bilder in der Objektebene perfekt überlappen. Da die konfokale Mikroskopie einen sehr dünnen, kleinen Bereich der Objektebene beobachtet, muss das Licht über ein Scannersystem oder einen motorisierten Aktuator geleitet werden, um einen ganzen Probenbereich zu erfassen. Die Bilder werden dann als 2D- oder 3D-Bilder zusammengesetzt.
Zahlreiche optikbasierte Diagnoseverfahren werden zur Untersuchung, Diagnose und Behandlung von Erkrankungen, z. B. des Gehirns, eingesetzt, darunter die laserbasierte Mikroskopie und die Optogenetik.
Das grün fluoreszierende Protein (GFP) ist ein spezielles Protein, das aus einer spezifischen Gruppe von Aminosäuren besteht und grün leuchtet, wenn es blauem bzw. UV -icht ausgesetzt ist. Dieses Protein wurde aus Meeresquallen extrahiert, die häufigste Erregerwellenlänge liegt bei 395 nm bis 475 nm mit Emissionsspitzen bei 509 nm bis 525 nm. GFP wird bei nichtinvasiven Fluoreszenzbildgebungssystemen häufig eingesetzt, um Tumorwachstum, Apoptose und andere Zellaktivitäten zu erkennen.
Biologisches Verfahren, bei dem mit Licht Zellen in lebendem Gewebe gesteuert werden, meist Neuronen, die genetisch mit Fotorezeptoren modifiziert wurden und auf verschiedene Wellenbänder reagieren.
Verfahren, mit dem das Hirngewebe durch Hydrogele transparent gemacht wird. Zusammen mit Antikörpern oder Biomarkern entstehen detailreiche Bilder der Nukleinstruktur des Gehirns, die dann bestimmt und untersucht werden können.
Ein genetisch codierter Kalziumindikator für die Bildgebung des Gehirns. GCaMP ähnelt der Fusion des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) mit Calmodulin und einer Myosin-Peptid-Sequenz.
Neurowissenschaftliches Verfahren zur Kartierung und Auflistung spezifischer Teile oder Eigenschaften des Gehirns in einer räumlichen Darstellung. Allgemein handelt es sich um Bildgebungsverfahren zur Anatomie und Funktion des Gehirns, des Rückenmarks und des Zentralnervensystems.
Elektrophysiologisches Verfahren zur Untersuchung einzelner oder mehrerer Ionenkanäle in Nervenzellen, Herzmuskelzellen, Muskelfasern und anderen Zellen.
Mikroskopverfahren wie Fluoreszenzmikroskopie, konfokale Mikroskopie, Multiphotonen- und Super-Resolution- Mikroskopie zur Untersuchung der Synapsen, Neuronen und neuralen Schaltkreise in Hirnschnitten.
Bei jedem Mikroskopieverfahren spielen Objektive mit mehreren Elementen eine wichtige Rolle, beispielsweise für viele Hirndiagnoseverfahren. Um für Ihre Anwendung das richtige Objektiv einzusetzen, sollten die verschiedenen Objektivarten bekannt sein.
Weitere Informationen zum Aufbau eines Fluoreszenzmikroskopiesystems.
Im Folgenden sind häufige Erkrankungen des Gehirns aufgelistet, die durch moderne Diagnoseverfahren erkannt werden können, beispielsweise mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie. Die technischen Fortschritte im Bereich der Mikroskopobjektive und anderen Optikkomponenten erlauben eine leichtere Erkennung und Behandlung dieser Erkrankungen.
Erkrankung durch längere Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns, die zu Muskelschwäche in einer Körperhälfte, zum Verlust der Gesichtskontrolle, Taubheit und Sprachproblemen führt.
Progressive und nicht heilbare Demenz, die das Gedächtnis und andere wichtige mentale Funktionen zerstört, schleichend beginnt und sich allmählich verschlechtert.
Nicht heilbare Störung des zentralen Nervensystems (ZNS), welche die Bewegung beeinträchtigt und ein nicht kontrollierbares Zittern mit sich bringt.
Erbliche, nicht heilbare Krankheit, bei der die Nervenzellen im Gehirn im Laufe der Zeit geschädigt werden, sodass es zu ruckartigen Körperbewegungen und schließlich zur Sprachunfähigkeit kommt.
Schwere Entzündung des Gehirns und der Rückenmarkshaut, die in der Regel durch eine Infektion ausgelöst wird und zu Fieber, Kopfschmerzen und Nackensteifheit führt.
Erkrankung mit wiederkehrenden Krämpfen, hauptsächlich aufgrund abnormer und verstärkter elektrischer Aktivität im Gehirn.
Die häufigste Art traumatischer Hirnverletzungen, ausgelöst durch starke Stoßverletzungen mit Gehirnerschütterung oder einer Verschiebung des Gehirns im Schädel.
Gutartiges oder bösartiges abnormes Zellwachstum unterschiedlicher Art im Gehirn mit unterschiedlichem Schweregrad, beispielsweise Astrozytome, Blastome, Ependymome und Meningiome.
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